啤酒发酵工业中的信号检测与温度控制.docx

江苏大学本科毕业论文啤酒发酵工业中的信号检测与温度控制专业班级：电气0802 学生姓名： 指导教师： 职称： 摘要 啤酒生产是我国的一个传统产业，随着国民经济的发展和人民生活的改善，我国啤酒工业也得到了空前的发展。本文针对啤酒发酵装置技术装备落后、自动化程度低、产品质量不稳定以及啤酒发酵罐温度所具有的大时滞、时变、多变量的特点，一方面提出了发酵罐中的信号检测，包括ph，温度，压力，溶解氧等等,通过对这些量的检测控制来达到发酵过程的稳定进行；另一方面提出了以 at89s52 单片机为核心的数字化温度控制系统方案。在发酵罐中设置上、中和下三个测温点，控制系统对这三个测温点进行循环检测，然后将检测到的温度信号送到单片机，由单片机通过具体程序对以上三个信号进行处理。通过本文设定的pid控制算法决定每层控制阀的开度，从而实现了啤酒发酵罐内部三层温度的精确控制，进而解决了啤酒发酵罐内部温度控制系统控制精度不高的问题，提高了啤酒生产的综合自动化水平。关键词：啤酒发酵 信号检测 温度控制 signal detection and temperature control in the beer fermentation industryabstract beer production is one of traditional industry in our country. with the development of civil economy and the improvement of demotic living condition，beer industry has also been rapidly improved. the thesis aims at outdated beer ferment equipment, low automation, instable product quality and the wheat-liquor temperature in a ferment that has inherence characteristics of multivariable, uncertain, time-variant and large delay. on one hand, the article put forward the signal detection in the ferment, including ph, temperature, pressure, dissolved oxygen and so on, by the way of controlling of these quantities to achieve the stability of the fermentation process; on the other hand the thesis puts forward the numeric temperature control system that depends on the principle of single chip at89s52. there are three measure temperature points in a ferment，the temperature signals of the ferment that can be detected circularly by the control system will be sent to the single chip, and then the single chip will deal with the three signals by some specific programs and the opening of the control valves in the three layers is decided by some designed special control arithmetic. the three layer temperature of the ferment will be controlled precisely, consequently the low control precision of the beer ferment internal temperature system has been improved and the comprehensive automation level of beer production will be improved. at the same time, the communication strategy between a beer ferment equipment temperature control system and a computer has been studied in the thesis, and the hardware and software of the system have been introduced in detail. system simulation has been done in the thesis about a laboratory ferment arithmetic model that based on the experiment status, and the control effect is better, so the system feasibility is validated theoretically. the disquisition has some reference value to the temperature control system development of a small scale ferment equipment in a laboratory. key words beer ferment signal detection temperature control目录第一章 绪论.1 1.1啤酒发酵概述11.1.1 啤酒生产简介11.1.2 国内啤酒发酵生产技术现状11.1.3 国内啤酒发酵技术的控制水平11.2啤酒发酵过程自动控制的作用，意义与不足21.2.1 自动控制在啤酒生产中的作用21.2.2 发酵生产过程自动控制的意义21.2.3 国内啤酒生产自动控制存在的问题31.3本课题研究的背景及主要内容31.3.1 本课题研究的背景31.3.2 本课题研究的主要内容31.4本章小结4第二章 啤酒发酵工艺概述. . 52.1啤酒发酵工艺流程简介52.2啤酒发酵的主要过程52.3 啤酒发酵工艺62.3.1 啤酒发酵的设备62.3.2 啤酒发酵的工艺曲线72.4 本章小结8第三章 啤酒发酵工业中的信号检测.93.1啤酒发酵过程中主要工艺参数的研究93.1.1 啤酒发酵的主要环境参数93.1.2 主要环境参数对啤酒发酵过程的影响93.2 啤酒发酵过程中各工艺参数的信号检测及控制113.2.1 ph检测与控制113.2.2 温度检测与控制123.2.3 压力检测与控制123.2.4 溶解氧检测与控制133.3 本章小结14第四章 控制系统的硬件设计.154.1啤酒发酵罐温度控制系统结构154.2 微处理系统164.2.1 单片机at89s52164.2.2 键盘电路设计174.2.3 显示电路设计184.2.4 与pc机的通信194.3 数据采集电路工作原理214.3.1 温度传感器lm35214.3.2 放大电路224.3.3 ad转换器adc0809224.4 蜂鸣器报警电路234.5 驱动电路244.5.1 d/a转换器dac0832244.5.2 v/i转换254.6 本章小结26第五章 控制系统的软件设计. 275.1 主程序275.2 pid数据处理模块285.2.1 常规pid控制算法285.2.2 本温度控制系统pid控制算法305.3 控制系统的防干扰措施325.3.1 干扰的来源分析325.3.2 系统硬件防干扰措施325.3.3 系统软件防干扰措施325.3.4 其他防干扰措施335.4 本章小结33结论.34致 谢. 35参考文献.36第一章 绪论1.1啤酒发酵概述1.1.1啤酒生产简介啤酒生产是一个传统产业，根据啤酒生产的特点和要求，通常把一个完整的生产工艺划分为糖化、发酵和灌装三大过程。糖化过程包括粉碎、糖化、糊化、过滤、煮沸以及 cip等生产工序；发酵过程包括麦汁充氧、酵母添加、酵母回收、啤酒发酵、修饰、清酒、硅藻土过滤以及cip、冷/热脱氧水的制备等工序，整个生产工艺的自动化关键在于生产工序中各参数的自动控制以及各工序之间严格的联动控制。其中发酵过程中的温度控制是影响产品质量最重要的测控参数之一，也是最难控制的回路之一，究其原因是对象特性包含了大时滞、时变及其它一些不确定的因素。1.1.2 国内啤酒发酵生产技术1为适应现代生产的要求,提高产品质量,提高劳动生产率,使企业的生产管理水平和竞争能力更上一个台阶,啤酒发酵控制采用了自动控制技术,这种技术在啤酒发酵中起着重要的作用。自动系统代替人工控制,不需要人直接参与,直接控制温度、压力、液位等物理量按指定的曲线规律变化。在啤酒发酵自动控制系统中结合先进的控制算法,可以更加精确地控制物理参数,并且对啤酒发酵过程中所具有的大时滞、时变、大时间常数的特点,有针对性的解决。1.1.3 国内啤酒发酵技术的控制水平2目前国内的发酵水平可以分为3个档次：（1）完全手动操作方式。其主要特点是阀门为手动。对温度、压力、流量等生产过程中的模拟量信号采用常规分散仪表进行采集，然后集中或现场显示，操作人员在现场或集中操作盘上控制主要设备的启停，阀门由工人到现场操作。（2）半自动控制方式。主要特点为阀门多采用气动或电动自动阀门。采用数据采集器采集各种过程量进入控制室，控制室设有模拟屏，在模拟屏上显示各种温度、流量、压力等过程参数和电机、阀门的开启状态，对生产过程进行监控，操作人员根据显示的参数与工艺参数对比，在模拟屏或操作台上遥控阀门开启和电机启停，从而满足工艺要求，生产中的关键数据由人工记录。（3）分布式控制方式。采用先进的计算机控制技术与多层网络结构及先进控制算法对生产工序进行自动控制，主要特点为多采用 plc控制。例如dcs(分布式控制系统)控制系统，在该控制系统中，下位机网络中控制单元采用 plc，其可靠性非常高，性能稳定，上位机网络可兼容多种通讯协议，便于下一步与管理网络的联结，完全有效克服了pc机+数据采集卡控制方式的缺点。1.2 啤酒发酵过程自动控制的作用，意义与不足1.2.1 自动控制在啤酒生产中的作用3随着 20 世纪 70 年代微处理器芯片的出现，自动控制技术在西方发达国家的工业生产领域得到了广泛的应用，同时积累了很多宝贵的经验。我国在引进西方工业生产设备的同时，也消化吸收了部分自动化控制技术，并认识到采用自动控制技术的必要性。同时随着硬件（微处理芯片）成本的进一步降低与部分软件国产化的实现，使得大部分厂家在生产中使用自动控制系统成为可能。为适应现代化生产的要求，提高、稳定产品质量与口味，提高劳动生产率，降低成本，同时使企业的生产管理水平和竞争能力更上一层楼，在发酵的生产过程中进行自动化控制可以很好的提高竞争能力。它可以：（1）提高工艺水平，稳定产品质量，提高原材料利用率，节约能源，降低生产成本，减轻操作人员的劳动强度，使工人有更多的时间关注工艺参数。（2）强化产品的质量管理。先进的算法程序与硬件的高可靠性保证生产过程严格按照设定的工艺参数执行。一致性很高，同时可记录下真实的生产过程数据，并可随时调用查阅这些数据，作为改进生产工艺的可靠依据。（3）辅助生产管理。减轻工人操作强度的同时可增强工人的工作责任心。并且水、电、气(汽)的消耗计量更准确，方便生产成本的控制和管理。1.2.2 发酵生产过程自动控制的意义啤酒发酵的自动控制具有很大的意义：（1）对发酵工段进行自动化控制、扩大生产规模是国内企业发展的主流，中国已经加入 wto，完全靠手动控制的企业将难以维持生计。（2）随着技术的提高，在线检测设备将会增多，生产自动化程度会进一步提高。（3）不同设备、不同工段自控系统间的衔接问题将会得到更多的重视，只有解决好这一问题，生产过程自动化才有可能。1.2.3 国内啤酒生产自动控制存在的问题尽管目前我国啤酒发酵技术已处于世界领先地位，但是目前我国的啤酒发酵技术还存在如下的不足：（1）控制方法问题。例如，在发酵罐控制中，目前所用的控制系统大多采用简单pid控制，无法解决发酵罐上、中、下3个冷却带的耦合问题，也难以解决发酵罐大惯性，系统超调、控制精度等问题。（2）糖化、发酵工段的自控衔接问题。例如，从糖化工段向发酵罐输入麦汁等工作，目前需要两个车间操作人员相互协调，难以自动完成。（3）与进口设备自控系统的衔接问题。不少企业的酵母自动添加装置、麦芽粉碎装置、脱氧水装置、过滤装置等采用国外进口设备，这些设备自身带有控制系统，接口标准随厂家而变，若不能与总自控系统很好衔接，则需要人工干预生产过程，降低生产自动化程度。1.3 本课题研究的背景及主要内容1.3.1 本课题研究的背景国内在发酵过程的测控方面，还处于较为落后的状况。仅凭经验或实验测得数据是远远不能适应研究和生产控制的需要，这与迅速发展的计算机控制技术是不相适应的。因此，对发酵过程计算机控制技术的研制、实现、推广和国产化，会大大提高我国发酵生产行业的自动化水平，提高生产率，降低成本，具有显著的经济效益和社会效益。1.3.2 本课题研究的主要内容（1）发酵过程是啤酒生产中一个非常重要的环节，这个过程可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程，整个发酵过程同样也包含若干道生产工序。本文主要介绍了啤酒发酵的主要工艺流程，前发酵与后发酵。 （2）啤酒发酵过程是一系列物理，化学量的变化，发酵过程中通过一系列模拟量的变化来检验是否正常进行，因此啤酒发酵过程中的信号检测是非常有必要的与有意义的。（3）温度是啤酒发酵过程中最重要的过程变量，也直接影响啤酒的好坏，由于在啤酒的发酵过程中，发酵罐4内部麦汁温度的升高来自于内部反应所放出的热量，所以发酵过程的升温速度是不可以通过人为控制的。所能控制的只有降温的速度。啤酒发酵过程中内部麦汁温度的降低是通过绕在啤酒发酵罐内壁蛇形管中的冷却液来完成的，可以通过控制冷却液的流量来控制发酵罐内部麦汁的温度进而满足发酵过程各阶段对麦汁温度的要求。本课题以单片机为核心，对现场数据进行采集与控制，并以温度为例，采用pid数字控制算法设计了一个温度控制器来控制发酵的工作温度。1.4 本章小结近十年来，虽然我国的啤酒产销量都处于世界领先水平，我国的啤酒装备配套水平也有了很大的提高，但是和国外相比，由于我国的啤酒产业起步较晚，尤其是成套设备差距较大，自动化程度比较低，因而产品生产效率较低，生产质量也不高，啤酒能耗较大，这都是我国啤酒工业亟待解决的问题。如今正确看待我国发酵控制技术的现状，提高我国在发酵领域的控制水平，进而提高啤酒的产量与质量具有非凡的意义。第二章 啤酒发酵工艺概述2.1啤酒发酵工艺流程简介啤酒发酵是一放热的复杂生化系统，其特点是冷却麦汁进入开口发酵槽中，加入啤酒酵母，一般酵母控制发酵液温度为9-10左右;发酵7-10天左右，麦汁发酵成嫩啤酒，酵母增殖到添加量的2至4倍。后发酵又称贮酒，嫩啤酒输到贮酒室内的贮酒罐中，一般在0-3下贮酒42-90天，达到啤酒成熟、二氧化碳饱和与啤酒澄清的目的。贮酒期结束并过滤得清酒，即完成了整个酿造过程。简单来说啤酒发酵的工艺流程如下：图 2-1 发酵的工艺流程图2.2啤酒发酵的主要过程发酵过程5是啤酒生产中一个非常重要的环节，这个过程可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程，整个发酵过程虽然包含若干道生产工序。但是主要过程可以分为前发酵和后发酵两个阶段：（a）前发酵。麦汁接种酵母进入发酵罐几小时以后逐渐开始主发酵，麦汁糖度下降，产生co2，反应热的释放使整个罐内的温度逐渐上升。经过 23天后进入发酵最为旺盛的高泡期，再过23天，降糖速度变慢，糖度很低，酵母开始沉淀，进行封罐发酵。此时，前发酵基本结束，进行降温转入后发酵阶段。从前发酵进入后发酵的降温过程，其降温速度一般控制在 0.3/h。（b）后发酵。当罐内温度从前发酵的 12降到 5左右时，后发酵阶段开始了，这一阶段最主要的目的是进行双乙酰还原。此外，后发酵阶段还完成残糖发酵，充分沉淀蛋白质、降低氧含量。一旦双乙酰指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，约以 0.15/h 的速率把罐内发酵温度从 5降到 01左右进行贮酒，整个发酵环节基本结束。通常，发酵液温度要求控制在给定温度的0.3范围之内，以期达到理想的发酵状况。 在发酵过程中，各种物质的转化速度受一系列因素的影响。例如：麦汁特性、酵母特性、酵母数量、运动情况、发酵压力和发酵温度，其中发酵压力和发酵温度是可以通过外部控制的两个极其关键的因素。压力不断上升会使溶解在啤酒中的co2不断增加，同时使酵母增殖和发酵副产物的形成逐渐停止。发酵温度的上升会使发酵速度明显加快。相比之下，发酵压力的控制并不存在太多技术难度。因此，如何掌握好发酵过程中的发酵温度，控制好温度的升降速率是发酵生产质量的核心内容之一。2.3 啤酒发酵工艺2.3.1啤酒发酵的设备6 近20年来啤酒发酵罐有很大的变革，大容量露天锥形发酵罐逐渐为各国啤酒厂所乐意采用，并推广锥形罐发酵工艺。发酵罐的形状一般为圆锥状，容积较大，大部分在 100立方米左右，目前国内大多数企业采用的是露天发酵罐，材质一般为碳钢或不锈钢。图2-2 露天锥形发酵罐结构发酵罐的结构如上图所示。为了有利于热量的散发，在发酵罐上、中、下部有 3个冷却带，相应有3个冷媒阀门，通过控制流过冷却带的冷媒流量，控制发酵罐的温度。罐体冷却带一般选用容易加工的半圆管盘绕在罐体上作为冷却带，常采用三段冷却。在冷媒的选用上，一般是采用乙醇或25%的乙二醇间接冷却，也有用液氨直接冷却的。冷媒阀门在发酵自动控制情况下，一般采用电磁开关或气动开关阀。在发酵罐顶部有一个电磁开关阀，控制发酵罐罐内压力。根据啤酒发酵的工艺要求，当啤酒的发酵温度高于工艺要求的温度时，打开冷媒，通过啤酒罐罐壁的冷却带给啤酒降温；当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发酵，整个发酵过程大约20多天完成。因此，控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。2.3.2 啤酒发酵的工艺曲线啤酒口味和实际要求的不同，啤酒的发酵工艺曲线也就不同，但是确定好的啤酒发酵工艺，就应严格按照工艺曲线去控制温度和压力等，这样才能保证啤酒的质量。啤酒发酵曲线如下图所示：图2-3 啤酒发酵工艺曲线 发酵过程中各参数的意义：t0 麦汁进罐温度 不需设定t1 第一恒温段温度 设定：0-18t2 第二恒温段温度 设定：0-18t3 第三恒温段温度 设定：0-18t4 第四恒温段温度 设定：0-18to 进罐温度保持时间 设定：0-100小时t1 第一升温段时间 自然升温无需设定t2 第一恒温段时间 由糖度化验决定(第一人工拐点)t3 第二升温段时间 自然升温无需设定t4 第二恒温段时间 由化验决定(第二人工拐点)t5 第一降温段时间 设定:0-240小时t6 第三恒温段时间 设定:0-100小时t7 第二降温段时间 设定:0-240小时t8 冷贮时间 不需设定，由人工指令决定2.4 本章小结本章主要介绍了啤酒发酵的概述,完整的啤酒生产过程可划分为麦汁制备、发酵、啤酒处理、清酒、灌装等工序。近代对啤酒发酵一系列生化变化的研究成果，使传统发酵工艺得以改进，发酵时间缩短。主要包括对啤酒酵母的选育，对啤酒成熟的新认识，发酵工艺改变并保持， 啤酒需要量增加，生产成本不断提高，迫使人们加速啤酒生产，增加啤酒产量，使生产日趋合理化。第三章 啤酒发酵工业中的信号检测3.1啤酒发酵过程中主要工艺参数的研究 3.1.1 啤酒发酵的主要环境参数8 微生物发酵是在一定条件下进行的，其代谢变化是通过检测各种参数反映出来的。一般啤酒发酵过程控制主要参数有以下几种：（1）酸碱度 (ph)：发酵液的ph值是发酵过程中各种生化反应的综合结果，它是发酵工艺控制的重要参数之一。（2）温度()：这是指发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度。它的高低与发酵中的酶反应速率、氧在培养液中的溶解度和传递速率、菌体生长速率和产物生成速率等有密切关系。（3）溶氧浓度（do）：溶解氧是好氧菌发酵的必备条件。氧是微生物体内的一系列氧化酶催化产能反应的最终受体，也是合成某些代谢产物的基质，所以，溶氧大小的影响是多方面的。利用溶氧的变化，可了解菌体对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，也可作为发酵中间控制的参数及设备供氧能力的指标。（4）压力（p）：这是发酵过程中发酵罐维持的压力。罐内维持正压可以防止外界空气中的杂菌侵入而避免污染，以保证纯种的培养。同时罐内压力的高低还与氧和co2在培养液中的溶解度有关，这间接影响发酵的正常进行。3.1.2 主要环境参数对啤酒发酵过程的影响1、ph值对发酵过程的影响发酵液的ph值，对微生物生长具有非常明显的影响，同时也是影响发酵过程中各种酶活性的重要因素。ph值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响有以下几个方面：（1）影响酶的活性，当ph值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；（2）影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄；（3）影响培养基中某些组分的解离，进而影响微生物对这些成分的吸收；（4）ph值不同，会引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。培养基中营养物质的代谢，是引起ph值变化的主要原因，发酵液ph值的变化是菌体代谢的综合效果。由于ph值不当，可能严重影响菌体的生长和产物的合成，因此对微生物发酵来说有各自的最适应生长ph值和最适应生产ph值。如同温度对发酵影响一样，ph值对产物稳定性也有影响。由于ph值的高低对菌体生长和产物的合成产生明显的影响，所以在工业发酵中，维持最适应ph值已成为生产成败的关键因素之一。2、温度对发酵过程的影响温度对发酵有很大的影响，它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，进而影响发酵的产物的生物合成。在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的催化活力会下降。温度还能改变菌体代谢产物的合成方向。除上述直接影响外，温度还对发酵液的物理性质产生影响，如发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解吸收速率等，都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。3、溶解氧对发酵过程的影响在发酵过程中，影响耗氧的因素有以下几方面：（1）培养基的成分和菌浓影响耗氧：菌体生长快，耗氧量大；菌浓高，耗氧量大；发酵过程补料或补糖，微生物对氧的摄取量随之增大。（2）菌龄影响耗氧：当菌体呼吸旺盛时，耗氧量大。发酵后期菌体处于衰老状态，耗氧量自然减弱。（3）发酵条件影响耗氧：在最适应条件下发酵，耗氧量比较大。发酵过程中，排除有毒代谢产物如二氧化碳、挥发性的有机酸和过量的氨，也有利于提高菌体的摄氧量。在25，0.10mpa下，空气中的氧在水中的溶解度为0.25mmoll，在发酵液中的溶解度只有0.22mmoll，而发酵液中的大量微生物耗氧迅速(耗氧速率大于25100mmollh)。因此，供氧对于好氧微生物来说是非常重要的。在好氧发酵中，微生物对氧有一个最低要求，满足微生物呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓度，用c临界表示。在c临界以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降。一般好氧微生物c临界很低，约为0.0030.05mmoll，需氧量一般为25100mmol(lh)。其c临界大约是氧饱和溶解度的125。当不存在其他限制性基质时，溶氧高于c临界，细胞的耗氧速率保持恒定；如果溶氧低于c临界，细胞的耗氧速率就会大大下降，细胞处于半厌氧状态，代谢活动受阻。溶氧是好氧发酵控制最重要的参数之一。由于氧在水中的溶解度很小，在发酵液中的溶解度更小，因此，需要不断调整通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。4、压力对发酵过程的影响压力作为一个重要的热力学参数，对微生物的生物效应有着重要的影响。压力的改变，会导致微生物细胞形态，细胞膜通透性以及胞内代谢通量的改变，直接影响微生物的生物转化效率。微生物发酵过程中，压力通常作为常量操作。研究表明，通过选择合适的加压介质、加压方式，可以保证微生物活性基本不受影响。同时，压力可以增进细胞膜通透性，改善难溶底物的溶解性质，提高基质，产物的传质速率。 另外，压力作为微生物生长的胁迫因子，可以显著改变细胞的代谢通量，刺激细胞分泌应激产物。针对某些发酵产物，适当提高压力有利于加快产物的合成。3.2 啤酒发酵过程中各工艺参数的信号检测及控制3.2.1 ph检测与控制ph检测可以取外采样，但这样不利于自动化管理。因此一般采用在线检测，使用ph传感器。 ph的控制方法如今用的比较多的是补料的方法来调节ph，以生理酸性物质(硫酸铵)和碱性物质(氨水)来控制。ph低，氨氮低，补氨水；ph高，氨氮低，补硫酸铵 。这种方法既可以达到稳定ph值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏作用的物质。少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用，提高产物产量。也就是说，采用补料的方法，可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节ph值和培养液的特性（如菌浓等）等几个目的。ph控制如下图3-1所示。图3-1罐内ph控制框图3.2.2温度检测与控制温度检测一般直接采用温度传感器。罐内的温度值t是通过罐内的温度传感器采样并通过变送器将测得的数据送入单片机，再由单片机确定发酵罐温度设定值t2,发酵罐的温度t2则按照下图进行闭环回路控制并最终达到控制罐内温度t目的。发酵罐内的温度值是通过罐内的温度传感器进行信号的采集，并通过测量电路将其转换为1-5v的电压信号送入a/d转换器，经过模数转换后将数字量送入计算机，计算机则通过预设的算法进行运算，然后得到相应的控制信号送入驱动放大电路，驱动控制阀控制冷媒的流量来控制发酵罐的温度。罐内温度控制如下图3-2所示。图3-2罐内温度t控制框图3.2.3压力检测与控制压力检测一般采用压力仪直接测量。压力仪将罐内压力p转化为4-20ma电流信号，经过滤波和电流电压转化电路得到1-5v的电压信号。此信号然后传输至a/d转换器，得到的数字量信号传输至单片机，单片机通过预设的pid算法进行运算得到相应的控制信号，通过d/a和电压电流转换后得到4-20ma的模拟信号，然后送至驱动放大电路，得到信号用来控制排气电动调节阀开闭的大小，借此以保持罐内压力p恒定，并形成对压力p的闭环控制。罐内压力控制如下图3-3所示。图3-3 罐内压力p控制框图3.2.4溶解氧检测与控制溶解氧的测定一般采用溶氧仪。对溶解氧进行控制的目的是把溶解氧浓度值稳定控制在一定的期望值或范围内。在微生物发酵过程中，溶解氧浓度与其它过程参数的关系极为复杂，受到生物反应器中多种物理，化学和微生物因素的影响和制约。对溶氧量（do）值的控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面。（1）控制溶氧量。控制溶氧量首要因素是控制氧分压。高密度培养往往采用通入纯氧的方式提高氧分压，而厌氧发酵则采用各种方式将氧分压控制在较低水平。如啤酒发酵，麦汁充氧和酵母接种阶段，一般要求氧含量达到8-10ppm；而啤酒发酵阶段，一般啤酒中的含氧量不得超过2ppm。此外，由于氧是难溶气体，一定温度和压力下，do值有一上限。为此，向发酵液中加入氧载体是提高do值的一个行之有效的方法。实验表明，在发酵基质中添加5正十二烷，可明显地提高发酵介质中的溶氧水平，改善供氧条件，维持溶氧的相对稳定，增加菌体浓度，提高发酵水平(21左右)。(2)控制氧传递速率。氧传递速率主要考虑体积溶氧系数（kla）的影响因素。从一定意义上讲，kla愈大，好氧生物反应器的传质性能愈好。控制kla的途径可分为操作变量、反应液的理化性质和反应器的结构3个部分。操作变量包括温度、压力，通风量和转速(搅拌功率)等发酵液的理化性质包括发酵液的黏度、表面张力、氧的溶解度、发酵液的组成成分、发酵液的流动状态、反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等。当然有些因素是相互关联的。值得注意的是，在培养过程中并不是维持do越高越好。即使是专性好气菌，过高的do对生长可能不利。过量的氧形成新生氧，超氧化物和过氧化物基，破坏许多细胞组分，进而破坏微生物生长。罐内溶解氧控制如下图3-4所示。 图3-4 罐内溶解氧do控制框图3.3本章小结发酵过程中通过测定发酵过程中的数据以便对此过程进行有效的控制。其目的包括：了解过程变量与预期是否一致；对不可测变量进行估计；对过程变量给定值进行手动或自动控制；通过过程模型实施计算机控制；收集数据等等。除了基本的ph，温度，压力，溶解氧模拟量测定外，还包括体积，流量，溶co2等等其他物理化学量的测定。第四章 控制系统的硬件设计4.1啤酒发酵罐温度控制系统结构在本啤酒发酵温度控制系统中9，在一个采样周期内安装于啤酒发酵罐上、中、下三个位置的温度传感器将会分别采集发酵罐上、中和下三个位置的温度信号。采集到的三个温度信号将会按照设定好的顺序依次向单片机提供中断信号，从而可以把测得的温度信号读入到单片机内部，然后再把预先设定好的发酵过程具体阶段的设定值与实测值相比较。然后根据比较之后所得的余差给控制阀发出相应的控制信号。与此同时，需要引起注意的是如何消除外界干扰。控制系统的硬件结构框图10如下图所示。本系统主要由 at89s52 单片机、温度采集电路、液晶显示接口、键盘接口、报警电路、ad转换器adc0809da转换器dac0832、电压放大和 v/i 转换等单元组成。图4-1 啤酒发酵温度控制硬件结构框图温度传感器从现场采集到温度通过温度变送器转化为4-20ma的电流，再经过a/d转换输入到单片机at89s52，单片机检测温度是否超出，如果超出启动报警，同时将测出的温度显示在led显示屏上，单片机内部通过与预设的温度对比，经过pid算法分析，将输出量通过d/a转换，i/v转换成电压来控制冷媒的控制阀，从而对发酵罐的温度进行控制。4.2 微处理系统4.2.1 单片机at89s5211单片机型号的选择12应当根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定。根据本课题的实际情况，适合本课题的单片机型号的选择主要从以下两方面考虑：一是要有较强的抗干扰能力，这是任何一个控制系统都需要考虑的问题；二是要有较高的性价比，也就是能够利用最低的成本实现本系统的功能。由于52系列单片机在我国使用最广，并且该系列单片机的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是美国 atmel 公司 2003 年推出的新一代 89s 系列单片机，其典型产品 at89s52 单片机具有较高的性能价格比。因此本系统采用atmel 公司生产的 at89s52 单片机作为检测系统的核 心部件，at89s52 单片机是 at89s 系列单片机中的一种，它是 at89c52 系列单片机的更新换代产品，at89c52 现已广泛应用于工业控制等各领域的，它具有 89c52 的全部功能。是80c51 单片机的增强型并且指令完全兼容。at89s52 的引脚分布如下图所示。 图4-2 at89s52引脚号at89s52主要特性13如下：（1）兼容 mcs51 单片机； （2）8k 字节 flash 存储器；（3）1000次擦写周期； （4）256 字节内部 ram；（5）全静态时钟 0hz 到 33mhz； （6）三级程序锁存器；（7）32个可编程 i/o 口； （8）3个 16 位定时/计数器；（9）8个中断源； （10）全双工双向 uart 通道；（11）双数据指针； （12）上电复位标志；（13）低功耗支持 idle 和 power-down 模式；此外,与at89c52相比at89s52 还新增加了许多功能，这将使得单片机在工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰能力。首先，at89s52 内部增加了片内看门狗定时器，这将有利于坚固用户应用系统，提高系统的可靠性；其次 at89s52独有的双指针功能，使数据操作更加快捷方便；再次，at89s52 运行速度更高，最高晶振可达33mhz；最后 at89s52 支持 isp（in-system programming）在线下载功能，使得其使用更加方便。at89s52 中 isp 引脚有：rst、mosi、miso和 sck。用户可以直接替代应用系统中的 at89c51/52，而且软件和硬件均不需作任何修改，这给正使用 at89c52 单片机的用户更新换代带来了许多方便。正因为 at89s52 单片机具有更高的可靠性和安全性的功能，所以能够避免因外部芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号失真、电磁干扰等现象的发生，从而进一步提高了系统的稳定性。4.2.2 键盘电路设计本次设计为44的矩阵键盘，这样的设计可以有效的减少键盘与单片机接口时所占用的i/o接口。在这种非编码键盘的单片机15系统中，键盘处理程序首先执行有无按键按下的程序段，当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键被按下，对键的识别常采用逐行（逐列）扫描的方法。首先判断有无按键按下。方法是：向行线输出全扫描字00h，把全部行线置为低电平，然后将列线的电平状态读入到累加器a中，如果有按键按下，会使列线电平被拉至低电平，是列输入不全为1。判断键盘哪一个键被按下。方法是：一次给行线送低电平，然后查所有列线状态，称为行扫描，如果全为1，则所按下键不在此行，如果不全为1，则所按下键必在此行，而且是在与零电平列线相交的交点上的那个键。在此，按键的位置码并不等于按键的实际定义键值，因此还必须进行转换，即键值译码，本次设计中采用软件实现键值的译码，译码方式如下：第0行键值为：0行4+列号（03）为0、1、2、3；第1行键值为：1行4+列号（03）为4、5、6、7；第2行键值为：2行4+列号（03）为8、9、a、b；第3行键值为：3行4+列号（03）为c、d、e、f； 原理：44的矩阵键盘的连接原理图如+5v下图： 10k at89s52输 p1.0出 p1.1端 p1.2口 p1.3（行扫描） 0 1 2 3 第0行 4 5 6 7 第1行 8 9 a b 第2行 c d e f 第3行p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 输入端口线 （读入检查） 图4-3 键盘电路接口4.2.3 显示电路设计显示电路16系统是实现人机联系的主要途径。显示系统根据发酵罐内的反应情况，需要实时循环显示出三路冷却液温度、发酵罐温度、罐内压力、以及三路阀门的准确位置，并在参数设定时显示更新的数据，同时 led 显示器又承担对发酵罐内部温度反应工艺曲线的设定参数的显示任务，以达到更好的人机对话。在显示电路中，需要使用到74ls48集成芯片。74ls48用作七段数码管数值显示译码器，将p0.0-p0.3输出的数值bcd码译码后得到的段选码送给七段数码管，使得数码管能够正确显示数值。74ls48芯片的电路结构原理17及引脚图：引脚图中的大写字母a、b、c、d为bcd码输入端，小写字母a、b、c、d、e、f、g为字型码输出端，lt为灯测试输入端，rbi为消隐输入，rbo为消隐输出。表4-1为74ls48 bcd-7段锁存/译码/驱动器作为段驱动器的输入输出信号的对应关系。在使用时，将芯片的输入端引脚a、b、c、d与单片机的p0口相连接，该芯片的输出端七个管脚，与led显示器的七个段码引脚相连接。74ls48的作用是接受来自单片机的bcd码型的输入信号，经锁存、译码和放大后，输出七段字型码到led显示器，完成对bcd码到七段字型码的锁存、译码和驱动的功能。 图4-4 74ls48引脚图表4-1 74ls48 bcd-7段译码器输入/输出端信号对照表输入端电平输出端电平显示字型输出端电平输出端电平显示字型d c b ag f e d c b ad c b ag f e d c b a0 0 0 00 0 0 0 0 0 0(3fh)00 1 0 11 1 0 1 0 11(6dh)50 0 0 10 0 0 0 1 1 0(06h)10 1 1 01 1 1 1 0 11(7dh)60 0 1 01 0 1 1 0 1 1(5bh)20 1 1 10 0 0 0 1 11(07h)70 0 1 11 0 0 1 1 1 1(4fh)31 0 0 01 1 1 1 1 11(7fh)80 1 0 01 1 0 0 1 1 0(66h)41 0 0 11 1 0 1 1 11(6fh)94.2.4 与pc机的通信为了提高整个温度控制系统的管理和控制能力，许多厂家的整个啤酒发酵系统采用了主从分布式集散控制系统。主机可以选用具有丰富的软硬件资源、价格优惠并被广泛使用的 pc 机作为上位机，用于集中管理，它可以显示发酵工艺流程图及各种参数实测值。本课题设计的是基于at89s52 单片机的温度控制系统，是针对一个发酵罐的，独立的完成此发酵罐的温度控制，但是作为集散系统中的下位机还要具有向上位机传送发酵罐在反应过程中的参数的功能，以及从上位机接受发酵罐的参数设定和修改功能。因此出于主从机之间的通讯考虑，在电路中设计了与上位机的接口电路。pc 机内部已经有了以 8250 芯片为主的异步串行通讯板，现场控制从机与中央监控主机的距离如果不是太远，主从机之间的通讯可以采用最大传输距离为15m、最高数据传输速率20kb/s 的 rs-232c 串行接口标准，以此来传输数据，此时可将本系统与主机直接相连；而当现场控制从机与中央监控主机的距离大于15m 时，为了抑制由于在 rs-232 的发送器与接收器之间的公共信号地所引起的共模干扰，保证信号的可靠传递，电路中又提供了rs-422 标准的接口电路，主机侧附加 rs-232/rs-422 转换器。主从机之间多机通讯的工作原理是利用单片机 at89s52 的串行口工作方式 3来实现的，方式 3 的信息帧是11 位，即 1 位起始、8 位数据、1 位编程和 1 位停止。在方式 3 下接收数据时，如果编程位为 1，就可以产生串行中断，否则不产生中断。 电路由 rs-422 标准接口的发送、接收驱动器 ds3486、ds3487 和 rs-232 标准电平转换器件 icl 组成。rs232总线接口：rs232-c 是目前最常用的串行接口标准，它的电气接口使用单端的、不平衡的发送器和接收器。rs232-c 的